1 概况

新疆某水电站由引水发电系统发电洞、发电厂房、砼壅水坝等建筑物组成。砼壅水坝设计洪水位1 282. 000 m, 正常蓄水位1 282. 000 m, 校核洪水位1 283. 55 m, 为Ⅲ等中型工程。发电洞全长1 720. 221m, 进水口底板高程1 262. 0 m, 纵坡为1/ 377. 5。

2 平面布置及设计标准

为加快施工进度、方便施工, 该工程引水发电洞布置两条施工支洞, 1# 、3# 施工支洞分别布置在主洞桩号0+ 112. 204 m 处和桩号1+ 346. 000 m 处。1# 施工支洞布置在主洞线左侧, 设计断面为7. 7 m×6. 0 m 城门洞型, 与主洞轴线夹角45°。采用全段封堵回填的方式, 封堵段桩号Z0+ 050. 995-Z0 +090. 995, 采用微膨胀混凝土。桩号Z0+ 0300. 000-Z0+ 050. 995 下部采用砂砾石回填, 上部回填混凝土。桩号Z0+ 000. 000-Z0+ 030. 000 回填混凝土,设灌浆廊道。

3# 施工支洞布置在主洞线右侧, 设计断面为8. 0 m×8. 0 m 城门洞型, 与主洞轴线夹角90°。封堵段桩号Z0+ 140. 792-Z0+ 155. 792, 采用微膨胀混凝土。

为确保安全, 堵头的位置靠发电洞布置, 以保证发电洞内水流不会通过堵头绕渗到洞外。该水电站为Ⅲ等中型工程, 水工建筑物按Ⅷ度地震设防, 引水发电系统发电洞、发电厂房、砼壅水坝为3 级建筑物, 次要建筑物为4 级, 临时建筑物为5 级。发电洞施工支洞堵头属于永久挡水建筑物, 设计标准与引水发电洞相同, 为3 级建筑物。

1# 施工支洞稳定受库水位控制, 按水库设计水位计算设计、校核两种工况下的堵头长度; 3# 施工支洞因水锤压力大于静水压力, 稳定受发电洞内水压力控制, 计算洞内内水压力工况下的堵头长度。

3 荷载组合

3. 1 1# 施工支洞堵头

基本荷载组合: 正常蓄水位水推力(1 282 m) +堵头自重,

特殊荷载组合: 校核洪水位水推力(1 283. 55m) + 堵头自重。

1# 施工支洞堵头处施工支洞洞底高程为1 261. 703 m, 堵头的设计外水压力为20. 297 m、校核外水压力为21. 847 m。

3. 2 3# 施工支洞堵头

基本荷载组合: 发电洞设计内水压力+ 堵头自重;

特殊荷载组合: 发电洞校核内水压力+ 堵头自重。

3# 施工支洞堵头处发电洞洞底高程为1 258. 434 m, 堵头的内水压力按发电洞洞内静水压力与水锤压力升高值之和考虑, 堵头的设计内水压力为29. 375 m, 校核内水压力为30. 925 m。

4 堵头抗滑稳定计算

参照国内已建工程堵头的计算方法, 本堵头计算采用《水工隧洞设计规范》(DL/ T 5195- 2004) 中的公式进行堵头长度计算[1] 。

作用效用函数: S (·) =∑PR

抗力函数: R (·) = f R∑WR + CRA R

式中:∑PR——滑动面上封堵体承受的全部切向作用力之和, kN;

∑WR——滑动面上封堵体全部法向作用力之和, 向下为正, kN;

f R——混凝土与岩石抗剪断摩擦系数, 由地质试验可知1# 施工支洞取0. 4, 3# 施工支洞取0. 8;

混凝土与岩石的抗剪断粘结力CR 值, 由地质试验可知1# 施工支洞取0. 015, 3# 施工支洞取0. 6;

A R——除顶拱部位外, 封堵体与混凝土接触面的面积, m2。

按上述计算参数、荷载组合和计算公式进行堵头长度计算, 1# 施工支洞堵头的计算长度为33. 149m, 3# 施工支洞堵头的计算长度为11. 362 m。

综合考虑支洞周围岩体的性质和抗渗性能, 1#施工支洞堵头设计长度取40 m, 3# 施工支洞堵头设计长度取15 m。

5 堵头抗滑稳定安全系数复核

在实际设计和计算中, 应遵循下列假定: ①堵头与围岩均视为刚体, 堵头挡水运行后, 将水压力均匀传递到混凝土与岩石或混凝土之间的接触面上;②假定堵头围岩中不存在沿基岩内部滑动的软弱结构面。

根据堵头的设计长度, 采用《混凝土重力坝设计规范》(SL319-2005 ) 中的抗剪断公式K =, 分别进行设计和校核工况下的抗滑稳定安全系数复核[2] 。堵头稳定允许安全系数取值如下: 基本荷载组合: [K ] = 3. 0, 特殊荷载组合: [K ] = 2. 5。

经计算, 1# 施工支洞堵头:

基本荷载组合: K 1 = 3. 3 > [K ] = 3. 0;

特殊荷载组合: K 2 = 3. 0 > [K ] = 2. 5。

3# 施工支洞堵头:

基本荷载组合: K 3 = 4. 8 > [K ] = 3. 0;

特殊荷载组合: K 4 = 4. 5 > [K ] = 2. 5。

结论: 各种荷载组合情况下, 堵头抗滑稳定均满足规范的要求。

6 堵头体结构设计

1# 施工支洞堵头体长40 m, 布置在施工支洞桩号Z0+ 050. 995-Z0+ 090. 995 段, 采用微膨胀混凝土浇筑, 其中桩号Z0+ 083. 145-Z0+ 090. 995 段为实体混凝土, 桩号Z0+ 050. 995-Z0+ 083. 145 段设置2. 5 m ×2. 5 m 的灌浆廊道。1# 施工支洞上覆岩层厚度较薄, 为8-10 m, 下伏基岩为第三系上新统泥岩, 遇水崩解软化, 支洞封堵段洞室围岩处于弱风化层内, 不稳定, 属Ⅳ-Ⅴ类围岩; 其次施工支洞进口上方为2# 上坝公路, 该洞段上覆岩体较薄, 水下长期浸泡易产生塌落, 由于其位置离发电洞进水口较近, 发生塌陷将影响发电洞的安全运行。因此1# 施工支洞除堵头体以外的洞身全部采用回填处理。桩号Z0+ 0300. 000-Z0+ 050. 995 段洞身下部采用砂砾石回填、上部回填混凝土, 桩号Z0+ 000. 000-Z0+ 030. 000 洞顶上部有2# 路通过, 采用混凝土回填, 并设回填灌浆廊道。

3# 施工支洞堵头体长15 m, 布置在施工支洞桩号Z0+ 140. 792-Z0+ 155. 792 段, 采用微膨胀混凝土浇筑, 其中桩号Z150. 792-Z0+ 155. 792 段为实体混凝土, 桩号Z0+ 140. 792-Z150. 792 段设置2. 5 m×2. 5 m 的灌浆廊道。3# 施工支洞封堵段岩性为凝灰岩, 岩体呈镶嵌碎裂结构, 完整性较好, 半孔残留率50% , 属

Ⅲ类围岩。

7 堵头体细部设计

7. 1 灌浆设计[3]

7. 1. 1回填灌浆

堵头顶部120°范围与回填混凝土顶部须进行回填灌浆处理, 且应在浇筑完毕后, 混凝土达到设计强度的70% 后进行。纯水泥浆液通过顶拱预埋的灌浆管和灌浆孔施灌, 灌浆压力0. 3-0. 4 MPa。

7. 1. 2固结灌浆

1# 施工支洞围岩性为泥岩, 灌浆的可灌性较差, 考虑到全洞采用回填处理, 1# 施工支洞堵头体的围岩不进行固结灌浆。

3# 施工支洞堵头段在发电洞施工时已进行过固结灌浆, 考虑到堵头的重要性和其受力特点, 对堵头四周岩体进行补强灌浆处理, 采用钻孔法施灌。固结灌浆在回填灌浆结束后进行, 排距2. 5 m, 伸入基岩不小于4 m, 灌浆压力1. 0-1. 2 MPa。

7. 1. 3接触灌浆

接触灌浆位置为混凝土堵头与基岩间的缝隙,以增强接触面结合能力。灌浆部位为顶部和侧墙,接触灌浆压力0. 3-0. 5 MPa。接触灌浆在堵头混凝土全部浇筑完成后进行。

7. 1. 4接缝灌浆

接缝灌浆位置为两段堵头间的接触面、堵头与发电洞衬砌接触面的灌浆。接缝灌浆压力0. 3-0. 5MPa。接缝灌浆在堵头混凝土全部浇筑完成后进行。

7. 2 配筋设计

7. 2. 1锚筋设计

堵头段底板和边墙采用φ25 锚筋, L = 4. 0m, 排距为2. 0 m, 伸入砼1. 0 m, 梅花型布置, 1# 施工支洞堵头底板锚筋间距为1. 9 m, 边墙锚筋间距为1. 5 m; 3# 施工支洞堵头底板锚筋间距为2. 0 m,边墙锚筋间距为1. 5 m。

7. 2. 2构造筋设计

为减小廊道周围应力集中现象, 需在廊道四周布置构造钢筋。混凝土保护层厚度3. 0 cm, 较长的钢筋采用搭接焊, 双面焊搭接长度不小于5 d , 单面焊搭接长度不小于10 d , 相邻钢筋搭接焊点与钢筋端点均应错开至少500 mm。

8 封堵施工

8. 1 选用材料

为降低混凝土水化热温升, 水泥采用伊犁南岗水泥厂生产的425# 低热微膨胀水泥, 每方混凝土水泥用量不超过250 kg。堵头混凝土强度标号C20、抗渗标号W6、抗冻标号F200; 堵头混凝土中掺入粉煤灰不粗于同时使用的水泥, 烧失量小于8%, SO3含量小于3% ; 灌浆浆液采用纯水泥浆, 水泥标号不低于32. 5R。

为减少混凝土温降收缩变形, 在混凝土中掺乌鲁木齐市建筑材料科学研究院混凝土外加剂厂生产的U EA-H 型膨胀剂, 以增大微膨胀变形量, 减小混凝土由于温降收缩而产生的变形。

8. 2 分段分层浇筑

为防止产生温度裂缝, 堵头体须分段、分层浇筑。

1# 施工支洞堵头分3 段施工, 先浇筑前端的堵头段。桩号Z0+ 030. 000-Z0+ 050. 995 段底板回填50 cm厚C20 混凝土, 中间回填2. 5 m 厚砂砾石, 上部回填C20 混凝土。堵头段总长度40 m, 分3 段进行浇筑。第一段长15 m, 第二段长15 m, 第三段长10 m。每段混凝土分3 层浇筑, 每层混凝土厚2. 0m。混凝土用混凝土泵车运到1# 施工支洞进口处,泵送入仓, 进行浇筑。

3# 施工支洞封堵整体施工, 为保证堵头混凝土和基岩面的良好接触, 应将边墙的喷护混凝土拆除。堵头段总长度15 m, 混凝土浇筑共分4 层, 每层混凝土厚2. 0 m。混凝土用混凝土泵车运送至3# 施工支洞进口处, 泵送入仓, 进行浇筑。

8. 3 灌浆施工

浇筑堵头混凝土之前, 回填灌浆在顶拱埋设回填灌浆管路引至进口处, 堵头分段施工, 相邻接触面进行接缝灌浆处理。接触及接缝灌浆埋设灌浆管路引至进口处, 灌浆管外露管长度不小于15 cm。1#施工支洞桩号Z0+ 000. 000-Z0+ 030. 000 段回填混凝土, 设灌浆廊道, 并在拱顶120°范围内进行回填灌浆; 3# 施工支洞上部回填混凝土并在拱顶120°范围内进行回填灌浆, 封堵灌浆结束后对廊道进行回填。

8. 3. 1灌浆技术要求

回填灌浆应按划分的灌浆区段分序加密进行,区段端部必须在混凝土施工时封堵严实。灌浆分为两个次序进行, 两次序孔中都应包括顶孔。施工时应自较低的一端开始, 向较高的一端推进。同一区段内的同一次序孔全部钻出后, 再进行灌浆, 也可单孔分序钻进和灌浆。灌浆的浆液水灰比为0. 5：1,孔隙大的部位可灌注水泥砂浆, 但掺砂量不应大于水泥重量的200%。低处孔灌浆时, 高处孔可用于排气、排水。当高处孔排出浓浆(接近或等于注入浆液的水灰比) 后, 可将低处孔堵塞, 改从高处孔灌浆,依次类推, 直至结束。

8. 3. 2灌浆结束条件

当排气管排浆达到或接近最浓比级浆液, 且管口压力或缝面增开度达到设计规定值, 注入率不大于0. 4L/ min 时, 持续20 min, 灌浆即可结束。

9 结语

本工程引水发电洞施工支洞封堵完工后, 顶部及周边缝未出现漏水现象, 为发电洞的正常运行提供了必要条件。

参考文献

[1] DL/ T 5195- 2004, 水工隧洞设计规范[S] .

[2] SL319- 2005, 混凝土重力坝设计规范[S] .

[3] DL/ T 5148- 2001, 水工建筑物水泥灌浆施工技术规范[S] .

[作者简介] 王永涛(1982- ) , 男, 新疆乌鲁木齐人, 新疆水利水电勘测设计研究院助理工程师, 学士, 主要从事水利水电工程施工组织设计工作。